高效超临界汽轮机的争辩与开发 王为民
王建录 ( 东方汽轮机厂 618201 )
摘
要 ：本文概述了目前世界上高效超临界汽轮机的进展状况，主蒸汽、再热蒸汽参数对高效超临界汽轮机经济性的影响，并着重探讨了我国进展高效超临界汽轮机应选取的参数、进展步骤及汽轮机应重点开展的争辩课题。
关键词 ：高效超临界；汽轮机；争辩内容；开发应用 1 1
前言 自 1959 年 4 月世界上首台 125MW 超临界火电机组在美国投运以来，超临界汽轮机历经 40多年的进展、完善，机组功率不断增大，主蒸汽、再热蒸汽参数不断提高，到目前超临界发电技术已成为一种先进高效、节能环保及成熟牢靠的发电技术。
在我国，首台投运的超临界汽轮机是由 ABB 公司制造的，功率 600MW，装于石洞口电厂，92 年投入运行。到目前为止，全国已有十余台超临界汽轮机相继投运，其中功率最大的为俄罗斯制造的 800MW 汽轮机。已在建最大功率的超临界 900MW 电站汽轮机由西门子公司制造，装于外高桥电厂。
近期沁北 600MW 超临界机组国产化依托项目启动，由国外公司供应技术支持，我国自行制造，国产化率将达到 70%，标志着我国已具备超临界汽轮机设计及制造力气。在此基础上大力进展更高参数和容量水平的高效超临界（超超临界）机组是我国电力工业的必由之路，完全符合国家“优化火电结构、节省一次能源、疼惜环境”的政策，也是具体落实该政策的一个重要措施和有效途径。
高效超临界机组不仅能进一步大幅度地提高发电效率，降低发电成本，获得与IGCC和PFBC相媲美的优良经济性，还能改善环境条件，同时它也代表了国家电力工业的实力和水平。“十五”末期，在我国东南沿海（如浙江玉环等地）能源及电力紧缺省份，大力进展高效超临界机组格外必要。若再接受深海取水冷却技术，将大大提高发电效率。
高效超临界汽轮机技术是高效超临界发电技术的重要核心组成部分。依据目前国内把握的亚临界、超临界设计及制造技术，已具备了研制高效超临界汽轮机的条件。为稳步进展高效超临界机组，需对机组的参数、容量做具体的论证，避开毁灭世界超临界机组进展中曾毁灭的问题和走过的弯路，同时需对由于高温、高压引起汽轮机、锅炉、配套辅机等特殊问题尽早开展争辩工作，使设计、生产的高效超临界机组牢靠地投入运行，提高机组可用率，充分发挥出高效超临界机组的卓越性能。
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国外高效超临界汽轮机的进展状况 世界上诞生的首台超临界机组是由美国 GE 公司生产的 125MW 高效超临界机组，机组初参数为：31MPa/621℃，一次再热参数 566℃，二次再热参数 538℃。目前参数最高的高效超临界机组为美国西屋公司制造的双轴 325MW 机组，初参数为 34.3 MPa/649℃，一次、二次再热参数均为 566℃。这两台机组均于 1959 年投运[1]。
近年来投运的参数最高的高效超临界汽轮机为装于日本橘湾电厂的 2#机，功率为1050MW，初参数为 25.1MPa/600℃，再热参数为 610℃[3]。及装于德国 Lübeck 电厂的 425MW机组，初参数为 30MPa/590℃，再热参数为 607℃[4]。
国外出名的汽轮机制造商在制定高效超临界汽轮机进展方案中，无一例外对提高汽轮机参数进行不懈地追求，并稳步将其付诸于工程实践之中。
以 GE 公司和西屋公司为主的美国汽轮机制造业，为该类机组制定了三阶段方案。其中第一阶段进展常规参数即 24.5 MPa/538℃/566℃的超临界机组，目前已成熟。其次、第三阶段方案是设计、制造 31MPa/593℃/593℃/593℃及 34.5MPa/649℃/649℃/649℃为代表参数的高效超临界机组。
以 ABB、SIEMENS、GEC-ALSTOM 为主的欧洲汽轮机制造业的最终目标是“高参数燃煤电站（700℃）”进展方案，成立了 700℃发电委员会。具体讲，2001 年电站参数达到 30.5MPa/582℃/600℃，2005 年电站参数达到 33.5MPa/610℃/630℃，到 2015 年电站参数达到 40MPa/700℃/720℃。
日本六十年月开头由美国引进并进展超临界机组，是目前世界上超临界机组进展最快、水平最高的国家之一。以三菱、东芝、日立等公司为代表的制造业，也将进展高效超临界汽轮机参数的方案类似的分为三个阶段，第一阶段 24.5 MPa/600℃/600℃已完成。其次阶段方案接受 31.4 MPa/593℃/593℃/593℃参数。第三阶段则接受更高的 34.5 MPa/649℃/593℃/593℃的汽轮机初参数。
俄罗斯目前正在开发二次中间再热机组，今后方案研制功率 800～1000MW，参数为 31.5 MPa/650℃/650℃的汽轮机。同时将研制单机功率等级 1600MW 的汽轮机。
由此可见，世界汽轮机制造商都以提高汽轮机参数，进展高效超临界机组为目标，对各自进展的高效超临界汽轮机做出了阶段性方案，且都普遍进展到了其次、第三阶段。我国作为世界电力工业大国，也应抓住时机，稳步进展高效超临界机组。
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高效超临界汽轮机参数对机组效率的影响分析 高效超临界汽轮机的热耗水平最直接地反映了高效超临界机组的发电效率。提高原动机-汽轮机的参数水平是降低热耗水平的最根本、最重要的途径。依据相关分析计算，按阶段地稳步提高参数水平，可以逐步提高高效超临界机组的发电效率。
一般当主蒸汽或再热蒸汽温度每上升 27℃，机组的效率将提高约 0.8%。在相同主蒸汽温度下，初压每提高 6～7MPa，机组效率提高约 0.9～1%。在同等压力下，接受二次再热比一次再热机组效率提高约 1.5～1.6%[2]。
以目前先进的 16.7MPa/538℃/538℃，背压 4.9KPa 亚临界参数的汽轮机（净）热耗水平7745KJ/Kw.h(～1850Kcal/Kw.h)为基准。当参数达到一般超临界参数 24.2MPa/538℃/566℃水平，效率提高约1.8%，热耗将达到约7607KJ/kw.h （1817Kcal/kw.h）。当参数达到24.2MPa/566℃/566℃，热效率将提高约 2.6%，热耗将达到约 7545 KJ/kw.h（1802Kcal/kw.h）。当参数达到高效超临界参数 24.5 MPa/600℃/600℃，热效率将提高约 4.2%，热耗将达到约 7419KJ/kw.h（1772Kcal/kw.h）。当参数达到 30 MPa/600℃/600℃水平，热效率将提高约 5.2%，热耗将达到约 7343KJ/kw.h（1754Kcal/kw.h）。若接受深海取水作为冷却水。背压达到 2～3KPa，电站效率将达到 45%以上，成为世界先进水平超临界机组。
表 1
各阶段汽轮机经济性比较（背压 4.9KPa）
汽轮机技术阶段 汽轮机进汽参数 MPa/℃/℃ 汽轮机净热耗 估量热耗值（KJ/kw.h）
相对下降量 常规先进亚临界 16.7/538/538 7745 基准 常规超临界 24.2/538/566 ～7607 ～1.8% 常规超临界 24.2/566/566 ～7545 ～2.6% 高效超临界 24.5/600/600 ～7419 ～4.2% 高效超临界 30/600/600 ～7343 ～5.2% 4 4
对我国进展高效超临界汽轮机的参数及容量的分析
从上面的分析可看出，当汽轮机的初参数由 24.5 MPa/600℃/600℃提高到 30MPa/600℃/600℃，汽轮机的热效率提高约 1%，热耗下降约 76 KJ/kw.h（18Kcal/kw.h）。对 600～700MW等级高效超临界机组，欧洲及日本基本选用一次中间再热，主蒸汽及再热汽温均为 593℃～600℃左右。对此笔者认为我国进展高效超临界机组的第一步应以 24.5MPa/600℃/600℃，容量 600～700MW 机组更为合适。理由如下：
1）
考虑到进展路线：我们国家与日本合作较多，且具有成熟的运行业绩和阅历，选用此参数更简洁获得国外公司的技术支持。
2）
从容量考虑，600～700MW 汽轮机选用 30MPa 初压偏高。由于初压高、进汽容积流量小，使得高压进汽部分叶片偏短，将对效率造成不利影响。30MPa 初压用于 900～1000MW 等级高效超临界汽轮机更为合适。
3）
从牢靠性及分步实施考虑，在日本，700MW、24.1MPa/593℃/593℃机组投运较多，在技术上是成熟牢靠的。初压过高给阀门及汽缸设计带来较大困难。同时在我国高效超临界机组刚刚起步，还需要积累更多的阅历，再实现更高的压力（30MPa～35MPa）。
4）
初压过高对效率、锅炉及辅机系统的影响：当主蒸汽及再热汽温为 600℃，初压由 24.5 MPa 提高到 30MPa，汽轮机效率提高约 1%，热耗下降约 76 KJ/kw.h（18Kcal/kw.h），对经济性影响不明显。若在提高初压的同时，接受两次中间再热，即接受 30MPa/600℃/600℃/600℃参数，则汽轮机热效率可再提高～1.6%，经济性提高较明显，但缺点是系统简洁，运行牢靠性有所下降。因此初压由 24.5 MPa 提高到 30MPa，若不实行两次再热，则综合技术经济性较差。而由此带来电厂配套锅炉及给水系统、回热系统等辅机耐压等级要上一个明显的台阶，投入大幅增加。
5）
对汽轮机主机结构的影响：对初参数接受 24.5MPa/600℃/600℃，功率 600MW～700MW汽轮机，可接受高中压合缸加两个低压缸实现，即接受三缸四排汽结构。当时参数接受30MPa/600℃/600℃，汽机构成将为甚高压与高压为一个缸，中压为一个缸，二个低压缸，即接受四缸四排汽结构[5]，使机组轴系拉长，支撑变多，对机组平安性及厂房造价产生不利影响。
综上所述，我国进展高效超临界机组第一步应以 24.5MPa/600℃/600℃，容量 600MW～700MW 机组为主。其次步应以 30MPa/600℃/600℃/600℃，容量 900MW～1000MW 机组为主。第三步应以更高参数 35MPa/650℃/650℃/650℃机组参数为主。
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高效超临界汽轮机应开展的争辩课题
5.1
高效超临界与常规超临界汽轮机在结构设计及用材方面有较大区分，故应开展以下四个主要方面的争辩课题。
1）
汽轮机的设计技术争辩； 2）
汽轮机的末级叶片争辩； 3）
汽轮机材料及热加工工艺争辩； 4）
汽轮机冷加工工艺争辩。
现将上述四方面的争辩简述如下。
5.2
汽轮机设计技术争辩
国内目前已具备了设计、制造常规超临界机组的技术，但对 25MPa/600℃/600℃设计技术尚无足够储备，为了高起点完成高效超临界汽轮机的设计，可接受与国外公司合作开发的模式。汽轮机设计方面的主要争辩内容如下：
1）
汽轮机通流技术的争辩：主要为接受高效率、低损失、三维设计的动、静叶片型线及结构争辩。
2）汽轮机总体结构及牢靠性争辩：汽轮机总体结构形式、布置等；高温高压部件如阀壳、汽缸等壁厚增加引起启动时热应力增加，要处理好壁厚与热应力间的关系；高温部件如转子、汽缸、动叶、阀门等平安性争辩。
3）防止汽流激振的争辩：高效超临界汽轮机由于压力等级高，蒸汽密度格外大，动、静不同心极易在高压部分产生汽流激振，因此要争辩汽流激振的机理，防止汽流激振的措施及汽流激振对汽轮机轴系稳定性的影响。
4）防止固体微粒对高、中压第一级叶片的侵蚀争辩：高效超临界机组锅炉及管道中产生的氧化物在高密度高速汽流的作用下极易造成高、中压第一级叶片侵蚀，因此要从气动设计、结构设计及叶片用材方面争辩防止固体微粒侵蚀的措施。
5）汽轮机冷却技术争辩：高、中压第一级处温度极高，实行合适的汽源对该处进行冷却，可降低该处转子的温度，达到延长转子使用寿命的目的。
5.3
汽轮机末级长叶片争辩
国内现投运亚临界 600MW 机组背压大多为 4.9KPa，末级叶片长度为 33.5 英寸（851mm）～42 英寸（1066.8mm）。对深海取水的的高效超临界机组，由于背压接受 3～4KPa，需要接受 43英寸～48 英寸末级叶片（单轴 3000r/min 机组）。对于双轴机组则需研制 52 英寸～54 英寸长叶片（1500r/min）。因此，进展高效超临界汽轮机，42 英寸以上等级末级长叶片的研发是至关重要的。
5.4
材料及热加工工艺争辩：
对 24.5MPa/600℃/600℃高效超临界机组，由于主蒸汽压力及主蒸汽温度、再热汽温高，所以高温部件所用材料与常规超临界机组有较大差异，目前多接受 12Cr 高温耐热不锈钢。对材料及热加工工艺的争辩主要集中在四个方面：
1）材料的性能验证试验：选用国外成熟的高效超临界汽轮机用材，对材料的常温及高温性能进行验证性试验。
2）材料的铸造、锻造性能争辩：高、中压转子前几台需从国外进口，今后应考虑国产化。
高中压内外缸、高中压主汽调整阀、喷嘴室、高温隔板体铸件立足于国内自行研制解决，这需与国内重机厂联合攻关，对材料的铸造工艺及性能进行争辩。对高温螺栓、高温弹簧、高压动叶片锻件，需与重机厂、相关科研院所联合攻关，对这些材料的冶炼、锻造、热处理等工艺性能进行争辩。
3）
材料的热处理及焊接性能争辩：
a、 对自行制造的材料的热处理工艺参数进行争辩。
b、 对于高中压内外缸、高中压主汽调整阀、喷嘴室、高温隔板体由于添加了较多的合金元素，使得材料的焊接性能变差，故需对这些材料的焊接工艺进行争辩。
c、 高、中压转子轴颈表面堆焊工艺争辩。
4）
高温涂料及防固体微粒侵蚀渗硼工艺争辩：为了疼惜高温部件，必需涂高温涂料，所以要进行高温涂料的性能争辩。为了减缓固体颗粒对高中压第一级叶片侵蚀，接受金属表面渗硼强化是一个有效的措施，所以要进行渗硼工艺争辩。
表 2
24.5MPa，600℃/600℃高效超临界汽轮机主要零部件所选用的材料及争辩开发 序号 零部件名称 拟使用的材料 (ASTM/EN) 争辩路线 争辩内容 技术难点 备
注 材料 热加工工艺 铸造 锻造与 热处理 焊接 1 高压、中压、或高中 压 转子 2Cr11Mo1VNbN 前几台进口，以后实现国产化。
1.对材料的各种力学性能与物理性能 进 行 争辩，以满足设 计 的 需要。
材 料 的锻 造 热处 理 性能争辩 转子轴颈堆焊低合金钢的工艺争辩 国内无锻造大型耐热不锈钢锻件阅历。
该 争 辩为 材 料的 验 证性 试 验争辩。
2 低压转子 30Cr2Ni4MoV (超净化) 前几台进口，以后实现国产化。
1.对材料的各种力学性能与物理性能 进 行 争辩，以满足设 计 的 需要。
材 料 的锻 造 热处 理 性能争辩 ——
该 争 辩为 材 料的 验 证性 试 验争辩。
3 高压、中压、或高中压汽缸 G-X12CrMoWVNbN1011 与重机厂联合自主开发 1.对材料的各种力学性能与物理性能 进 行 争辩，以满足...
